高帧频的焦平面信号实时处理技术研究
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摘要
目前，红外焦平面阵列(IRFPA)是一种兼具辐射敏感和信号处理功能的技术性能最先进的红外探测器，它代表着红外探测器的发展方向。但是焦平面探测器固有的非均匀性问题是其应用中必须解决的关键问题之一。本文在深入探讨了红外焦平面阵列非均匀性产生机理及其特性的基础上，深入研究和分析了目前已有的两类非均匀性校正算法，综合比较了多种校正算法的优缺点。根据实际需要，提出了一种自适应滤波分段线性插值的非均匀性校正算法，它是两点校正算法的扩展，不仅具有较大的动态范围，而且可以消除由于探测器响应特性温漂现象对非均匀性校正的影响。通过理论分析和仿真实践证明，这种方法在工程上是可行而有效的。本文对疵点自动查找和补偿算法也进行了研究。此外，本文还针对高帧频的128×128面阵红外焦平面器件，设计了一套焦平面信号实时处理技术的硬件系统实现方案。该系统是基于ADSP21062 DSP芯片构成的高速数字信号处理系统，具有大容量、高速并行的数据处理能力，它既有串行的工作方式，又有并行处理的操作过程。可以实时完成焦平面信号的数据采集、数据重排、非均匀性校正、图像增强、疵点自动查找和补偿以及视频合成显示等一系列功能。
At present, the Infrared Focal Plane Arrays (IRFPA) is represented the tendency of infrared detector, but the staring IR imaging system performance is crucial limited by the inherent nonuniformity of IRFPA. So the key problem needed to be solved in the IRFPA applications is applicable and real time nonuniformity correction technology. Based on a thorough and deep question of the generating mechanism and characteristic of the nonuniformity of IRFPA, this paper investigates and studies the kinds of existing nonuniformity correction algorithms, makes a comparison among these algorithms on advantage and disadvantage. According to the practical need, the paper put forward a new nonuniformity correction algorithm-adaptive linear subsection interpolation correction algorithm, which is the expansion of two-point correction algorithm. The approach is not only achieved the nonuniformity correction in large dynamic range, but also eliminated the effect of temperature excursion of detector responsibility on nonuniformit
y correction. Theoretical analysis and practice in computer's simulation has verified this approach's practicability and effectiveness. The approach of invalided detector cell (including blind cell and penetrating cell) automatic searching and compensation is also studied in this paper. To high frame rate 128X 128 focal plane device, a scheme of the hardware implementation system of real-time signal processing for FPA is also presented in this paper. The system has streamline hierarchy and parallel processing structure based on DSP(ADSP21062), having powerful data processing capacity. It can implement FPA data sample, data rearrange, nonuniformity correction, image enhancement, defect pixel automatic searching and compensation, video signal synthesizing and displaying, etc.
At present, the Infrared Focal Plane Arrays (IRFPA) is represented the tendency of infrared detector, but the staring IR imaging system performance is crucial limited by the inherent nonuniformity of IRFPA. So the key problem needed to be solved in the IRFPA applications is applicable and real time nonuniformity correction technology. Based on a thorough and deep question of the generating mechanism and characteristic of the nonuniformity of IRFPA, this paper investigates and studies the kinds of existing nonuniformity correction algorithms, makes a comparison among these algorithms on advantage and disadvantage. According to the practical need, the paper put forward a new nonuniformity correction algorithm-adaptive linear subsection interpolation correction algorithm, which is the expansion of two-point correction algorithm. The approach is not only achieved the nonuniformity correction in large dynamic range, but also eliminated the effect of temperature excursion of detector responsibility on nonuniformit
y correction. Theoretical analysis and practice in computer's simulation has verified this approach's practicability and effectiveness. The approach of invalided detector cell (including blind cell and penetrating cell) automatic searching and compensation is also studied in this paper. To high frame rate 128X 128 focal plane device, a scheme of the hardware implementation system of real-time signal processing for FPA is also presented in this paper. The system has streamline hierarchy and parallel processing structure based on DSP(ADSP21062), having powerful data processing capacity. It can implement FPA data sample, data rearrange, nonuniformity correction, image enhancement, defect pixel automatic searching and compensation, video signal synthesizing and displaying, etc.
引文
[01] 杨宜禾，岳敏，周维真，《红外系统》，国防工业出版社，1995年，第2版。
[02] 吴兆熊，黄振兴，黄顺吉，《数字信号处理》，国防工业出版社，1996年。
[03] 邓建中，葛仁杰，程正兴，《计算方法》，西安交通大学出版社，1985年，第一版。
[04] 程正兴，李水根《数值逼近与常微分方程数值解》，西安交通大学出版社，2000年。
[05] Kenneth.R.Castleman著，朱志刚 石定机等译，《数字图像处理》，电子工业出版社，1998年第一版。
[06] A.安东尼奥，程相君等译，《数字滤波器分析与设计》，陕西科技出版社，1998年。
[07] 章 晋，《图像分析与处理(上)》，清华大学出版社，1999年第一版。
[08] 黄凤英，《DSP原理与应用》，东南大学出版社，1998年。
[09] A.MURAT TEKALP,崔之沽，江春，陈丽鑫译，《数字视频处理》，电子工业出版社。
[10] 戴明桢，《数字信号处理的硬件实现》，航空工业出版社，1999年。
[11] 苏涛，吴顺君，廖晓群，《高性能数字信号处理器与高速实时信号处理》，西安电子科技大学出版社，1999年，第一版。
[12] 程卫国，冯峰，姚东等，《MATLAB5.3应用指南》，人民邮电出版社，1999年11月第一版。
[13] 王晓丹，吴崇明，《基于MATLAB的系统分析与设计》，西安电子科技大学出版社，2000年第一版。
[14] 艾俐，“国外红外探测器的发展及其在制导武器中的应用”，《红外技术》，vol．18 No．3，1996。
[15] R.W. Helfrich "Programmable compensation technique for staring arrays",SPIE, Vol.178, P110(1979).
[16] C.L.Carrison and N.A.Foss "Non-uniformity compensation for staring infrared(IR)focal planes", SPIE,Vol.178. P99(1979).
[17] P.M.Narendra "Reference-free non-uniformity compensation for staring arrays", SPIE.Vol.252, P10(1980).
[18] I.Pitas "Nonlinear mean filters in image processing", IEEE No.3(1986).
[19] D.A.Scribner, M.R.Kruer, J.C.Gridley,"Physical limitations to non-uniformity
correction in focal plane arrays", SPIE, Vol.865, P185(1987) . .
[20] D.A.Scribner, M.R.Kruer, et al. "Spatial noise in staring focal plane arrays", SPIE, Vol.930, P56(1988) .
[21] Lizzie Cheung, Eustace Dereniak, and Dave Perry "Computer simulation of spatial non-uniformity correction in a staring sensor", SPIE, Vol.972, P65(1988) .
[22] D.A.Scribner, K.A.Sarkady et al "Non-uniformity correction for staring IR focal plane arrays using scene-based techniques", SPIE, Vol.1308, P224(1990) .
[23] D.A.Scribner,K.A.Sarkady, M.R.Kruer, J.T.Caulfield "Adaptive non-uniformity correction for IR focal plane arrays using neural networks", SPIE, Vol.1541, P100(1991) .
[24] David L.Perry, Eustace L.Dereniak "Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors" , Opt.Eng.Vol.32,p.1854 (1993) .
[25] J.W.Fenner, S.H.Simon, and D.D.Eden "Design of a IRFPA non-uniformity correction algorithm to be implemented as a real-time hardware prototype", SPIE, Vol.2225, P3 50(1994) .
[26] Stanley J.Pruchnic,Jr,and Edward M.Lewis "Evaluation of temporal stability and spatial uniformity of blackbody thermal reference sources " , SPIE Vol.2470,p.300 (1995) .
[27] M.Schulz, L.Caldwell "Non-uniformity correction and correctability of infrared focal plane arrays", SPIE, Vol.2470, P300(1995) .
[28] J.G.Harris, and Yu-Ming Chiang "Non-uniformity correction using the constant-statistics constraint: analog and digital implementations", SPIE, Vol.3061, P895(1997) .
[29] J.G.Harris, and Yu-Ming Chiang "Minimizing the 'ghosting' artifact in scene-based non-uniformity correction", SPIE, Vol.3377, P106(1998) .
[30] A.F.Milton, F.R.Barone and M.R.Kruer "Influence of non-uniformity on infrared focal plane array performance", OptEng, Vol.24, No.5, P855(1985) .
[31] Jonathan M.Mooney, Freeman D. Shepherd et al "Responsivity non-uniformity limited performance of infrared staring cameras", Opt.Eng, Vol.28, No.11, P1151(1989) .
[32] Mark D.Nelson, Jerris F.Johnson and Terence S.Lomheim "General noise processes in hybrid infrared focal plane arrays", Opt.Eng, Vol.30, No.11, P1682(1991) .
[33] D.A.Scribner, K.A.Sarkady, M.R.Kruer et al "Adaptive retina-like
preprocessing for imaging detector arrays", Proc. of the IEEE international conference on neural networks, P1955～1960, Feb,(1993).
[34] David L.Perry, Eustace L.Dereniak "Linear theory of nonuniformity correction in infrared staring sensors", Optical Engineering Vol.32,p.1854(1993).
[35] Venkates Warlu R,Er M N,Gan Y H,et al."Nonuniformity compensation for IR focal plane array sensors",SPIE Vol.3061,p.915-925(1997).
[36] Majeed M.Hayat, Sergio N.Torres.et al,"Statistical algorithm for non-uniformity correction in focal-plane arrays", Applied Optics, Vol.38, No.8, P772, March(1999).
[37] Jonathan Marthin Mooney "Effect of spatial noise on minimum resolvable temperature of a staring sensor", Applied 'Optics, Vol.30, No.23, P3324, August(1991).
[38] Paul R.Norton，“红外成像敏感器的现状(上)”，《红外》，1996年第十期。
[39] Paul R.Norton，“红外成像敏感器的现状(下)”，《红外》，1996年第十一期。
[40] 袁继俊，“红外成像器件的发展”，《激光与红外》Vol．23 No．3，1993。
[41] 钟云，孙娟，“红外焦平面技术发展概况”，《红外技术》，vol．13No．6，1991。
[42] 韩建忠，吴景生，陈励夫，“国外红外焦平面相关技术发展”，《激光与红外》，vol．28No．5，1998。
[43] 金伟其，侯光明，刘广荣，“非制冷焦平面热成像技术及其应用”，《红外技术》，vol．20No．6，1998。
[44] 曾戈红，“红外焦平面器件的研制与展望”，《红外技术》Vol．17No．3，1995。
[45] 彭焕良，“热成像技术发展综述”，《激光与红外》 Vol．27No．3，1997。
[46] Thomas N.Casselman,“红外光电探测器及材料的现状”，《红外》，1998年第8期。
[47] 刘会通，“红外焦平面剩余非均匀性的测试和检验”，《激光与红外》，Vol．28No．5，1998。
[48] 高云 邬鸣敏 周起勃，“凝视红外焦平面CCD非均匀性校正”，《红外与毫米波学报》 Vol．12No．3，1993。
[49] 胡小梅，“红外焦平面探测器的非均匀性与校准方法研究”，《红外与激光工程》 Vol．28No．3，1999。
[50] 王瑞忠 陈培毅 钱佩信，“一种改进的便于实现的红外焦平面阵列不均匀性 校正算法”，《半导体学报》 Vol．18No．12，1997。
[51] 曹治国 魏洛刚 张天序 桑农，“基于神经网络法的焦平面器件非均匀性校正技术研究”，《红外与激光工程》 Vol．29No．1，2000。
[52] 周建勋 王利平 刘滨，“红外图像非均匀性产生原因分析”，《红外与激光工程》 Vol．26No．3，1997。
[53] 何志彪，易新建，黄光，“基于自适应滤波的焦平面非均匀性校正法的研究”，Vol．19No．3，2000。
[54] 王钰，陈钱，殷德奎等，“实时红外图像非均匀性校正技术研究”，《红外与毫米波学报》，Vol．18No．2，1999。
[55] 田丽珍，“一种非均匀校正的新方法”，《应用光学》 Vol．21No．2，2000。
[56] 姜光，刘上乾，“一种新的红外焦平面器件非均匀性自适应校正算法”，《光电工程》，Vol．28No．5，2001。
[57] 姜光，刘上乾，“红外焦平面阵列非均匀性自适应校正算法研究”，《红外与毫米波学报》，Vol．20No．2，2001。
[58] 姬长忠，“红外测量设备的标定”，《红外与激光技术》，1991年第一期。
[59] 《ADSP-2106X SHARC~(TM) User's Manual》, Second Edition, Anolog Device. Inc.
[60] 《ADSP-2106X SHARC~(TM) DSP Microcomputer Family Data Sheet》, Anolog Device. Inc.
[61] www.analog.com2001年网站信息。
[62] www.TI.com2001年网站信息。
[02] 吴兆熊，黄振兴，黄顺吉，《数字信号处理》，国防工业出版社，1996年。
[03] 邓建中，葛仁杰，程正兴，《计算方法》，西安交通大学出版社，1985年，第一版。
[04] 程正兴，李水根《数值逼近与常微分方程数值解》，西安交通大学出版社，2000年。
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[06] A.安东尼奥，程相君等译，《数字滤波器分析与设计》，陕西科技出版社，1998年。
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[08] 黄凤英，《DSP原理与应用》，东南大学出版社，1998年。
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[10] 戴明桢，《数字信号处理的硬件实现》，航空工业出版社，1999年。
[11] 苏涛，吴顺君，廖晓群，《高性能数字信号处理器与高速实时信号处理》，西安电子科技大学出版社，1999年，第一版。
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[14] 艾俐，“国外红外探测器的发展及其在制导武器中的应用”，《红外技术》，vol．18 No．3，1996。
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[16] C.L.Carrison and N.A.Foss "Non-uniformity compensation for staring infrared(IR)focal planes", SPIE,Vol.178. P99(1979).
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[20] D.A.Scribner, M.R.Kruer, et al. "Spatial noise in staring focal plane arrays", SPIE, Vol.930, P56(1988) .
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[23] D.A.Scribner,K.A.Sarkady, M.R.Kruer, J.T.Caulfield "Adaptive non-uniformity correction for IR focal plane arrays using neural networks", SPIE, Vol.1541, P100(1991) .
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[26] Stanley J.Pruchnic,Jr,and Edward M.Lewis "Evaluation of temporal stability and spatial uniformity of blackbody thermal reference sources " , SPIE Vol.2470,p.300 (1995) .
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[45] 彭焕良，“热成像技术发展综述”，《激光与红外》 Vol．27No．3，1997。
[46] Thomas N.Casselman,“红外光电探测器及材料的现状”，《红外》，1998年第8期。
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[48] 高云 邬鸣敏 周起勃，“凝视红外焦平面CCD非均匀性校正”，《红外与毫米波学报》 Vol．12No．3，1993。
[49] 胡小梅，“红外焦平面探测器的非均匀性与校准方法研究”，《红外与激光工程》 Vol．28No．3，1999。
[50] 王瑞忠 陈培毅 钱佩信，“一种改进的便于实现的红外焦平面阵列不均匀性 校正算法”，《半导体学报》 Vol．18No．12，1997。
[51] 曹治国 魏洛刚 张天序 桑农，“基于神经网络法的焦平面器件非均匀性校正技术研究”，《红外与激光工程》 Vol．29No．1，2000。
[52] 周建勋 王利平 刘滨，“红外图像非均匀性产生原因分析”，《红外与激光工程》 Vol．26No．3，1997。
[53] 何志彪，易新建，黄光，“基于自适应滤波的焦平面非均匀性校正法的研究”，Vol．19No．3，2000。
[54] 王钰，陈钱，殷德奎等，“实时红外图像非均匀性校正技术研究”，《红外与毫米波学报》，Vol．18No．2，1999。
[55] 田丽珍，“一种非均匀校正的新方法”，《应用光学》 Vol．21No．2，2000。
[56] 姜光，刘上乾，“一种新的红外焦平面器件非均匀性自适应校正算法”，《光电工程》，Vol．28No．5，2001。
[57] 姜光，刘上乾，“红外焦平面阵列非均匀性自适应校正算法研究”，《红外与毫米波学报》，Vol．20No．2，2001。
[58] 姬长忠，“红外测量设备的标定”，《红外与激光技术》，1991年第一期。
[59] 《ADSP-2106X SHARC~(TM) User's Manual》, Second Edition, Anolog Device. Inc.
[60] 《ADSP-2106X SHARC~(TM) DSP Microcomputer Family Data Sheet》, Anolog Device. Inc.
[61] www.analog.com2001年网站信息。
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